某型號發動機曲軸偏置分析

李永純 張穎 袁海馬

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處）

隨著人們生活水平的日益提高，汽車已經走進千家萬戶。汽車保有量的快速提高，造成空氣污染已十分嚴重；同時汽車消費者對整車的燃油消耗也十分敏感，這關系到汽車的使用成本。因此，降低排放及降低整車的油耗已經成為各大汽車廠的重要任務。目前，降低發動機油耗主要采用新材料、新技術及整機輕量化等手段實現。其中曲軸偏置設計是近幾年在設計中應用較多的方法之一，它能夠有效降低發動機的摩擦功，從而達到降低發動機油耗的目的。

1 曲軸偏置的原理

1.1 曲軸偏置種類

傳統發動機曲軸軸線與氣缸中心面是重合的。曲軸偏置是指曲軸軸線與氣缸中心面偏置。曲軸既可以向發動機主壓力一側偏置，也可以向發動機次壓側偏置。將朝向發動機主壓力側偏置的稱為曲軸正偏置，朝向發動機次壓力側偏置的稱為曲軸負偏置。

目前，曲軸偏置幾乎全部采用正偏置，其示意圖，如圖1所示。

1.2 曲軸偏置分析

1.2.1 活塞止點位置

偏置曲柄連桿機構相比中心曲柄連桿機構，活塞上下止點位置均有變化，偏置曲柄連桿機構的簡圖，如圖2所示。圖2 中：e 為曲軸偏置量，Se為活塞行程，S1和S2分別為活塞在上/下止點與曲軸中心的距離，α1和α2分別為上/下止點時曲軸轉角，l 為連桿長度，r 為曲軸回轉半徑。A′和A 分別為活塞上/下止點位置。

α1和 α2的值可從△A′EO 和△AEO 中求得：

式中：λ——連桿比，λ=r/l；

ξ——偏置率，ξ=e/r。

當活塞從上止點運動到下止點時，曲柄轉過的角度是α2-α1＞180°，但是當活塞從下止點運動到上止點時，曲柄的轉角是 360°-α2+α1＞180°。這樣的偏置布置有利于加大進氣行程和做功行程，使進氣更充分，膨脹更徹底；同時使壓縮行程縮短，更有利于壓縮過程的絕熱效果[1]。

同時，與沒有曲軸偏置的發動機（圖3a）不同，在曲軸偏置發動機上（圖3b）連桿在做功行程中處于幾乎垂直的狀態。曲軸偏置措施可明顯減小活塞在氣缸壁上的側向壓緊力及活塞與缸壁之間的摩擦，從而提高發動機工作效率[2]。

1.2.2 活塞行程

活塞行程為活塞上/下止點到曲軸中心距離的差值，即：

2 曲軸偏置設計示例

2.1 基本參數

某型號發動機為直列四缸、增壓水冷柴油機，采用可變進氣、雙VVT 等技術，主要參數，如表1所示。

表1 某型號發動機主要參數

2.2 運動學分析

2.2.1 曲軸偏置對活塞行程和曲軸轉角的影響

將 l=149 mm，r=44 mm 代入 λ=r/l，得：λ=0.295。將e=12 mm，r=44 mm 代入 ξ=e/r,得：ξ=0.273。

將上述數據分別代入式（1）～（3），得：

該型號發動機曲軸偏置12 mm 后，活塞行程增加0.313 mm。

當活塞從上止點到下止點時，曲柄轉過的角度是：

當活塞從下止點到上止點時，曲柄轉過的角度是：

360°-α2+α1=360°-186.562°+3.565°=177.003°

可見，活塞下行所占曲柄轉角變大了，而上行所占曲柄轉角卻變小了（即壓縮過程進展較快，膨脹過程進展較慢），有效地提高了發動機的工作效率。

2.2.2 曲軸偏置對活塞位移速度加速度的影響

曲軸偏置前后，活塞的位移、速度及加速度的總變化趨勢是一致的，如圖4～6所示。只是偏置后的活塞速度和加速度極值略為增加，對活塞運動的影響不大。

2.2.3 曲軸偏置對側向加速度及側向摩擦力的影響

曲軸偏置前后，活塞的側向加速度變化非常明顯，如圖7所示。偏置后，活塞下行過程中的側向加速度明顯減小，峰值約減小38%，而上行過程中的加速度明顯增加，峰值約增加50%。

這里分析的側向加速度，僅僅是由活塞運動的慣性力產生的。而由爆發壓力產生的側向力并沒有考慮。但同理可知，由爆發壓力產生的側向力也會減小。

曲軸偏置對摩擦平均有效壓力的影響，如圖8所示。從圖8 可以看出，隨著曲軸偏移量的增大，對摩擦平均有效壓力的影響也越大，對減小摩擦力起到非常有效的作用。但是當曲軸偏移量超過15 mm 時，曲軸偏移量增加，對減小摩擦力的作用不是很明顯。

3 結論

該型號發動機曲軸向排氣側偏置12 mm 后，活塞行程增加0.313 mm。活塞下行所占曲柄轉角增加，上行則減小。下行過程活塞側向加速度減小，上行過程活塞側向加速度增加（由活塞慣性力引起的側向加速度）。同理，爆發壓力引起的活塞側向力也將減小。所以，曲軸偏置后，對燃油消耗有利。另外，也要考慮曲軸偏置后，對曲軸箱設計的影響。